JP7279469B2 - 三次元計測装置およびロボットシステム - Google Patents

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Description

本発明は、三次元計測装置およびロボットシステムに関するものである。
ロボットが作業を行う際には、ワーク等の対象物の形状を計測する必要がある。このため、三次元計測装置を備えるロボットが提案されている。
三次元計測装置の測定原理の１つとして、対象物に向けて三次元計測用のパターンを投影するとともに、パターンが投影された対象物の画像を撮像し、得られた画像に基づいて対象物の三次元形状を計測する位相シフト法が知られている。位相シフト法において三次元形状を正確に計測するためには、取得される画像の全面にわたって輝度が均一であるパターンが撮像されていることが求められるが、撮像部のレンズがもつ周辺減光特性により、撮像された画像の周辺部で輝度が低下することが知られている。
そこで、特許文献１のように、先に撮像された第１撮像画像を基に、投影パターンの輝度を補正し、その投影パターン生成する際の投影信号に基づいて、第２撮像画像を補正する画像処理装置が提案されている。
特開２０１８－１９０２０１号公報
しかしながら、特許文献１に記載の画像処理装置では、画質特性を解析し、それに基づいて投影パターンを生成する処理が必要になるが、これらの処理には時間を要するという課題があった。
本発明の三次元計測装置は、
レーザー光を用いて対象物の三次元計測を行う三次元計測装置であって、
前記レーザー光を出射するレーザー光源と、
前記レーザー光を、延在方向の中央部の輝度よりも縁部の輝度が高い第１輝度分布を有するラインレーザー光に拡幅して出射するラインジェネレートレンズと、
揺動軸まわりに揺動し、前記ラインレーザー光を反射して、前記対象物を含む投影面にパターン光を投影するミラーと、
前記パターン光が投影された前記投影面を撮像してパターン画像を取得する撮像部と、
前記パターン画像に基づいて前記対象物の三次元形状を求める計測部と、
を有し、
前記ラインジェネレートレンズは、
稜線、ならびに、前記稜線を介して互いに交わる第１面および第２面、を有する入射面と、
前記入射面の反対側に設けられている出射面と、
を有し、
前記レーザー光が前記入射面に入射され、前記ラインレーザー光が前記出射面から出射するように構成されている。
第１実施形態に係るロボットシステムの全体構成を示す図である。 図１に示すロボットシステムが備える三次元計測装置の全体構成を示す図である。 図２に示す三次元計測装置を示す斜視図である。 図３に示す三次元計測装置の内部を示す斜視図である。 図４に示す投影部により投影されるパターン光の一例を示す平面図である。 図４に示す三次元計測装置が有する光走査部を示す平面図である。 図６に示す光走査部によりレーザー光を走査してパターン光を投影する様子を説明するための概念図である。 レーザー光源から出射するレーザー光、および、ミラーの揺動軸、の双方に直交する方向から見たときの、図７に示すラインジェネレートレンズの平面図である。 レンズの一般的な周辺減光が反映された透過輝度ＴＬの分布の一例を示すグラフである。 ラインジェネレートレンズの透過輝度分布の一例を示すグラフである。 図９に示す透過輝度分布と、図１０に示す相殺輝度分布と、を合成してなる合成輝度の分布を表すグラフである。 第１実施形態の変形例に係るラインジェネレートレンズを示す図である。 第２実施形態に係る三次元計測装置の全体構成を示す図である。 第２実施形態に係る三次元計測装置の作用を説明するため、図１３を簡略化した図である。 第２実施形態に係る三次元計測装置を用いた三次元計測方法を説明するためのフローチャートである。 レーザー光の走査速度分布の一例を示すグラフである。 図１６に示す走査速度分布でレーザー光を走査した際に、投影面上で観測される換算輝度の分布の一例を示すグラフである。 図１６に示す走査速度分布でレーザー光を走査した際に、撮像部で撮像されるパターン画像における輝度である合成輝度の分布の一例を示すグラフである。 第３実施形態に係る三次元計測装置の全体構成を示す図である。 第４実施形態に係る三次元計測装置の全体構成を示す図である。 第４実施形態の変形例に係る三次元計測装置の全体構成を示す図である。 第４実施形態の別の変形例に係るロボットシステムの全体構成を示す図である。
以下、本発明の三次元計測装置およびロボットシステムを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．第１実施形態
１．１ ロボットシステム
まず、第１実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態に係るロボットシステムの全体構成を示す図である。図２は、図１に示すロボットシステムが備える三次元計測装置の全体構成を示す図である。図３は、図２に示す三次元計測装置を示す斜視図である。図４は、図３に示す三次元計測装置の内部を示す斜視図である。図５は、図４に示す投影部により投影されるパターン光の一例を示す平面図である。図６は、図４に示す三次元計測装置が有する光走査部を示す平面図である。図７は、図６に示す光走査部によりレーザー光を走査してパターン光を投影する様子を説明するための概念図である。
図１に示すロボットシステム１は、ロボット２と、レーザー光Ｌを用いて対象物Ｗの三次元計測を行う三次元計測装置４と、三次元計測装置４の計測結果に基づいてロボット２の駆動を制御するロボット制御装置５と、ロボット制御装置５と通信可能なホストコンピューター６と、を有している。なお、これら各部は、有線または無線により通信可能とされ、その通信は、インターネットのようなネットワークを介してなされてもよい。
１．２ ロボット
ロボット２は、例えば、精密機器やこれを構成する部品の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うロボットである。ただし、ロボット２の用途としては、特に限定されない。本実施形態に係るロボット２は、６軸ロボットであり、図１に示すように、床や天井に固定されるベース２１と、ベース２１に連結されたロボットアーム２２と、を有する。
ロボットアーム２２は、ベース２１に第１軸Ｏ１まわりに回動自在に連結された第１アーム２２１と、第１アーム２２１に第２軸Ｏ２まわりに回動自在に連結された第２アーム２２２と、第２アーム２２２に第３軸Ｏ３まわりに回動自在に連結された第３アーム２２３と、第３アーム２２３に第４軸Ｏ４まわりに回動自在に連結された第４アーム２２４と、第４アーム２２４に第５軸Ｏ５まわりに回動自在に連結された第５アーム２２５と、第５アーム２２５に第６軸Ｏ６まわりに回動自在に連結された第６アーム２２６と、を有している。また、第６アーム２２６には、ロボット２に実行させる作業に応じたエンドエフェクター２４が装着される。なお、以下では、第１アーム２２１から第６アーム２２６のエンドエフェクター２４側を「先端」または「先端側」とも言い、ベース２１側を「基端」または「基端側」とも言う。
また、ロボット２は、ベース２１に対して第１アーム２２１を回動させる第１駆動装置２５１と、第１アーム２２１に対して第２アーム２２２を回動させる第２駆動装置２５２と、第２アーム２２２に対して第３アーム２２３を回動させる第３駆動装置２５３と、第３アーム２２３に対して第４アーム２２４を回動させる第４駆動装置２５４と、第４アーム２２４に対して第５アーム２２５を回動させる第５駆動装置２５５と、第５アーム２２５に対して第６アーム２２６を回動させる第６駆動装置２５６と、を有している。第１駆動装置２５１から第６駆動装置２５６は、それぞれ、例えば、駆動源としてのモーターと、モーターの駆動を制御するコントローラーと、モーターの回転量を検出するエンコーダーと、を有している。そして、第１駆動装置２５１から第６駆動装置２５６は、それぞれ、ロボット制御装置５によって独立して制御される。
なお、ロボット２としては、本実施形態の構成に限定されず、例えば、ロボットアーム２２が有するアームの数が１本～５本であってもよいし、７本以上であってもよい。また、例えば、ロボット２の種類は、スカラロボットや、２つのロボットアーム２２を有する双腕ロボットであってもよい。
１．３ ロボット制御装置
ロボット制御装置５は、ホストコンピューター６からロボット２の位置指令を受け、第１アーム２２１から第６アーム２２６が受けた位置指令に応じた位置となるように、第１駆動装置２５１から第６駆動装置２５６の駆動をそれぞれ独立して制御する。ロボット制御装置５は、例えば、コンピューターから構成され、情報を処理するプロセッサー（ＣＰＵ）と、プロセッサーに通信可能に接続されたメモリーと、外部インターフェースと、を有している。メモリーにはプロセッサーにより実行可能な各種プログラムが保存され、プロセッサーは、メモリーに記憶された各種プログラム等を読み込んで実行することができる。
１．４ 三次元計測装置
次に、第１実施形態に係る三次元計測装置４について説明する。
三次元計測装置４は、位相シフト法を用いて対象物Ｗの三次元計測を行う。図２に示すように、三次元計測装置４は、投影面Ｐの対象物Ｗを含む領域にレーザー光Ｌによる三次元計測用のパターン光ＰＬを投影する投影部４１と、パターン光ＰＬが投影された対象物Ｗを含む領域を撮像したパターン画像を取得する撮像部４７と、投影部４１および撮像部４７の駆動を制御する制御部４８と、パターン画像に基づいて対象物Ｗの三次元形状を計測する計測部４９と、これら各部を収納する筐体４０と、を備えている。
本実施形態では、図３に示すように、筐体４０が、ロボット２の第５アーム２２５に固定されている。また、筐体４０は、箱状をなし、第５アーム２２５に固定された底面４０１と、底面４０１と対向する頂面４０２と、第５アーム２２５の先端側に位置する前面４０３と、第５アーム２２５の基端側に位置する背面４０４と、一対の側面４０５、４０６と、を有している。そして、図４に示すように、このような筐体４０内に、投影部４１、撮像部４７、制御部４８および計測部４９が収納されている。ただし、筐体４０の形状としては、特に限定されない。
また、筐体４０の構成材料としては、特に限定されず、例えば、各種樹脂、各種金属、各種セラミックスを用いることができる。ただし、放熱性の観点から、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等の熱伝導率の優れた材料を用いることが好ましい。また、筐体４０の底面４０１は、ロボット２の第５アーム２２５に図示されない接合部を介して固定される構成であってもよい。
投影部４１は、第５アーム２２５の先端側に向けてレーザー光Ｌを照射するように筐体４０内に配置され、撮像部４７は、第５アーム２２５の先端側を向き、レーザー光Ｌの照射範囲を含む領域を撮像するように筐体４０内に配置されている。なお、図３に示すように、筐体４０の前面４０３には、レーザー光Ｌが出射する窓部４０３ａが設けられている。
なお、三次元計測装置４の配置は、特に限定されず、第１アーム２２１から第４アーム２２４のいずれか、または第６アーム２２６であってもよい。また、投影部４１および撮像部４７が互いに異なるアームに固定されていてもよい。また、制御部４８や計測部４９は、筐体４０外に配置されていてもよく、例えば、ロボット制御装置５やホストコンピューター６に含まれていてもよい。
投影部４１は、対象物Ｗに向けてレーザー光Ｌを照射することにより、対象物Ｗに対して図５に示すようなパターン光ＰＬを投影する機能を有する。このような投影部４１は、図２および図４に示すように、レーザー光Ｌを出射するレーザー光源４２と、レーザー光Ｌが通過する複数のレンズを含む光学系４４と、光学系４４を通過したレーザー光Ｌを対象物Ｗに向けて走査する光走査部４５と、を有する。レーザー光源４２としては、特に限定されず、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）、外部共振器型垂直面発光レーザー（ＶＥＣＳＥＬ）等の半導体レーザーを用いることができる。
光学系４４は、レーザー光源４２から出射されるレーザー光Ｌを対象物Ｗ付近に集光させる集光レンズ４４１と、集光レンズ４４１によって集光されたレーザー光Ｌを後述する揺動軸Ｊと平行な方向、すなわち図２の紙面奥行き方向に延びるライン状とするラインジェネレートレンズ４４２と、を有する。
光走査部４５は、ラインジェネレートレンズ４４２によってライン状となったレーザー光Ｌを走査する機能を有する。光走査部４５としては、特に限定されず、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、ガルバノミラー、ポリゴンミラー等を用いることができる。
本実施形態に係る光走査部４５は、ＭＥＭＳで構成されている。図６に示すように、光走査部４５は、反射面４５０を有するミラー４５１と、ミラー４５１の裏面に配置されている永久磁石４５５と、ミラー４５１を支持する支持部４５２と、ミラー４５１と支持部４５２とを接続する軸部４５３と、永久磁石４５５と配向配置されている電磁コイル４５６と、を有する。
このような光走査部４５では、揺動軸Ｊが、ラインジェネレートレンズ４４２によって拡幅されたレーザー光Ｌの拡幅方向と一致している。そして、電磁コイル４５６に駆動信号が印加されると、ミラー４５１が揺動軸Ｊまわりに所定の周期で正・逆交互に揺動し、これにより、ライン状に拡幅されたレーザー光Ｌ、すなわちライン状をなす光が、その拡幅方向と交差する方向に走査され、面状をなすパターン光ＰＬが得られる。
具体的には、ミラー４５１は、図７に示すように、揺動軸Ｊまわりに往復揺動する。このようにして揺動しているミラー４５１の反射面４５０に対し、拡幅されたレーザー光Ｌが照射される。そうすると、レーザー光Ｌは、走査方向Ｓに沿って走査されることになる。その結果、投影面Ｐにパターン光ＰＬが面状に投影される。
以上、投影部４１について説明したが、ラインジェネレートレンズ４４２については、後に詳述する。
撮像部４７は、少なくとも１つの対象物Ｗにパターン光ＰＬが投影されている状態を撮像する。本実施形態では、図２に示すように、ミラー４５１によってレーザー光Ｌが走査角αｍａｘの範囲内で走査される。これにより、この範囲内にパターン光ＰＬが投影される。一方、本実施形態に係る撮像部４７は、画角βの範囲内を撮像可能である。このとき、投影面Ｐにおいて画角βの範囲は、走査角αｍａｘの範囲に包含されるように設定されている。つまり、投影面Ｐにおける画角βの範囲は、走査角αｍａｘに包含される描画角αｄｉｓｐの範囲と同じである。これにより、撮像部４７では、撮像範囲全体にパターン光ＰＬを収めることができ、例えば計測精度を一定に維持することができる。
撮像部４７は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサー、ＣＣＤイメージセンサー等の撮像素子４７２と集光レンズ４７３とを備えたカメラ４７１で構成されている。カメラ４７１は、計測部４９に接続され、パターン画像を計測部４９に送信する。
制御部４８は、電磁コイル４５６に駆動信号を印加することにより、光走査部４５の駆動を制御するミラー制御部４８１と、レーザー光源４２に駆動信号を印加することにより、レーザー光源４２の駆動を制御する光源制御部４８２と、を有している。光源制御部４８２は、光走査部４５におけるミラー４５１の最大振幅を変更可能に設定されている。そして、光源制御部４８２は、ミラー４５１の揺動と同期させてレーザー光源４２からレーザー光Ｌを出射し、例えば、図５に示すような、輝度値の明暗で表現した縞模様のパターン光ＰＬを対象物Ｗ上に投影する。ただし、パターン光ＰＬとしては、後述するような位相シフト法に用いることができるものであれば、特に限定されない。また、制御部４８、撮像部４７の駆動を制御する撮像制御部４８３を有している。撮像制御部４８３は、カメラ４７１の駆動を制御し、所定のタイミングで対象物Ｗを含む領域を撮像する。
例えば、制御部４８は、パターン光ＰＬを対象物Ｗに位相をπ／２ずつずらして４回投影し、その都度、パターン光ＰＬが投影された対象物Ｗを撮像部４７で撮像する。ただし、パターン光ＰＬの投影回数は、特に限定されず、撮影結果から位相が計算できる回数であればよい。また、ピッチの大きなパターンや逆に小さなパターンを用いて同様の投影と撮影を行い、位相接続を行ってもよい。ピッチの種類を増やすほど、計測範囲と分解能を向上させることができるが、撮影回数が増す分、パターン画像を取得するのに要する時間が増えて、ロボット２の稼働効率が低下する。そのため、三次元計測の精度および計測範囲とロボット２の稼働効率との兼ね合いからパターン光ＰＬの投影回数を適宜設定すればよい。
計測部４９は、撮像部４７が取得した複数のパターン画像に基づいて、対象物Ｗの三次元計測を行う。具体的には、対象物Ｗの姿勢、空間座標等を含む三次元情報を算出する。そして、計測部４９は、算出した対象物Ｗの三次元情報をホストコンピューター６に送信する。
このような制御部４８および計測部４９は、例えば、コンピューターから構成され、情報を処理するプロセッサー（ＣＰＵ）と、プロセッサーに通信可能に接続されたメモリーと、外部インターフェースと、を有する。メモリーにはプロセッサーにより実行可能な各種プログラムが記憶されており、プロセッサーは、メモリーに記憶された各種プログラム等を読み込んで実行することができる。
１．５ ホストコンピューター
ホストコンピューター６は、計測部４９が算出した対象物Ｗの三次元情報からロボット２の位置指令を生成し、生成した位置指令をロボット制御装置５に送信する。ロボット制御装置５は、ホストコンピューター６から受信した位置指令に基づいて第１駆動装置２５１から第６駆動装置２５６をそれぞれ独立して駆動し、第１アーム２２１から第６アーム２２６を指示された位置に移動させる。なお、本実施形態では、ホストコンピューター６と計測部４９とが別体となっているが、これに限定されず、ホストコンピューター６に計測部４９としての機能が搭載されていてもよい。
１．６ ラインジェネレートレンズ
本実施形態に係る三次元計測装置４の投影部４１は、前述したように、レーザー光源４２から出射し、集光レンズ４４１によって集光されたレーザー光Ｌをライン状に拡幅するラインジェネレートレンズ４４２を有している。
図８は、レーザー光源４２から出射するレーザー光Ｌ、および、ミラー４５１の揺動軸Ｊ、の双方に直交する方向から見たときの、図７に示すラインジェネレートレンズ４４２の平面図である。なお、図８において、ラインジェネレートレンズ４４２に入射するレーザー光Ｌの光軸と平行な方向をＸ軸方向とし、図７に示すミラー４５１の揺動軸Ｊと平行な方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸方向およびＹ軸方向と直交する方向をＺ軸方向とする。
ラインジェネレートレンズ４４２は、パウエルレンズとも呼ばれており、入射光をライン状に拡幅するレンズである。図８に示すラインジェネレートレンズ４４２は、丸みを帯びたルーフ状に形成された入射面４４２１と、その反対側に設けられた出射面４４２２と、を有している。また、入射面４４２１は、第１面４４２１ａと、第２面４４２１ｂと、これらが交わる稜線４４２３と、を含んでいる。第１面４４２１ａおよび第２面４４２１ｂは、Ｚ軸方向に平行な稜線４４２３において互いに交わっている。第１面４４２１ａと第２面４４２１ｂとがなす角度は、特に限定されないが、例えば３０°以上８０°以下程度に設定される。また、Ｘ－Ｙ面による稜線４４２３の断面の形状は、図８に示すように丸みを帯びているのが好ましい。
このようなラインジェネレートレンズ４４２は、入射面４４２１に入射する指向性の高いレーザー光Ｌを屈折させてＹ軸方向に拡幅し、ライン状をなすビームに成形して出射する。これにより、指向性の高いレーザー光Ｌを線状光に変換することができる。
そして、本実施形態に係るラインジェネレートレンズ４４２では、Ｙ軸方向に拡幅されてライン状をなす出射光の輝度分布が、出射光の延在方向の中央部の輝度よりも縁部の輝度が高くなるような分布を有している。このような輝度分布は、撮像部４７で撮像されるパターン画像にも反映されることになるため、最終的に、レーザー光Ｌの走査方向Ｓと交差する方向において、パターン画像における周辺減光を相殺または低減させることができる。
以下、このような効果が得られる原理について説明する。
レーザー光Ｌによって描画されたパターン光ＰＬは、撮像部４７によって撮像される。撮像部４７は、集光レンズ４７３を含んでいるが、このような集光レンズ４７３には、レンズ特有の周辺減光が存在する。一般的なレンズの透過輝度ＴＬの分布は、以下の式（１）で表されることが知られている。
Figure 0007279469000001
上記式（１）では、投影面Ｐにおいて、集光レンズ４７３の中心に対応する位置をｘ＝０とし、ｘ＝０における輝度を１に規格化している。また、上記式（１）における係数ａは、レンズごとの固有値であり、撮像部４７に用いている集光レンズ４７３の周辺減光の実績値からあらかじめ求めておくことができる。上記式（１）における透過輝度ＴＬは、レンズを透過した光の相対輝度である。
そして、位置ｘおよび上記式（１）で表される透過輝度ＴＬを、横軸に位置ｘをとり、縦軸に透過輝度ＴＬをとった座標系にプロットすると、図９に示すグラフが得られる。図９は、レンズの一般的な周辺減光が反映された透過輝度ＴＬの分布の一例を示すグラフである。なお、図９では、ｘ＝０における輝度を１に規格化している。
図９に示すように、上記式（１）で表される透過輝度分布では、ｘ＝０における透過輝度ＴＬが最大値となり、そこから位置ｘが離れるにつれて、透過輝度ＴＬが徐々に小さくなっている。この透過輝度ＴＬの減少が周辺減光に相当する。
したがって、投影面Ｐに投影されるレーザー光Ｌが、仮に、走査方向Ｓと交差する方向において均一な輝度分布を有している場合には、そのレーザー光Ｌによって描画されたパターン光ＰＬを撮像したとき、パターン画像では集光レンズ４７３による周辺減光が発生する。その結果、パターン画像に基づく三次元形状の計測にあたって、精度の低下を招くことになる。
これに対し、本実施形態では、例えば図１０に示すような透過輝度分布を示す出射光を出射可能なラインジェネレートレンズ４４２を用いている。図１０は、本実施形態に用いられるラインジェネレートレンズ４４２の透過輝度分布の一例を示すグラフである。図１０に示す透過輝度分布は、図９に示す周辺減光とは逆の傾向の分布になっている。つまり、図９に示す周辺減光は、位置ｘが中央部から縁部に向かうにつれて、透過輝度ＴＬが徐々に減少している傾向の分布であるのに対し、図１０に示す透過輝度分布は、位置ｘが中央部から縁部に向かうにつれて、輝度が徐々に増加する傾向の、特殊な分布になっている。したがって、このような特殊な透過輝度分布を示すラインジェネレートレンズ４４２を用いることにより、パターン画像において周辺減光を相殺または低減させることができる。
なお、図１０では、ラインジェネレートレンズ４４２の出射光の全幅をＷ０とし、全幅Ｗ０の中心を挟んで全幅Ｗ０の１０％の範囲を中央部Ｃと規定する。また、全幅Ｗ０の両端を起点にしてそれぞれ全幅Ｗ０の１０％の範囲を縁部Ｅと規定する。
図１０に示す透過輝度をラインジェネレートレンズ特性ＬＧＬとするとき、ラインジェネレートレンズ特性ＬＧＬを表す輝度分布は、例えば、下記式（２）で表すことができる。
Figure 0007279469000002
上記式（２）における係数ａも、上記式（１）の係数ａと同じ数値が用いられる。そして、前述した図１０は、位置ｘおよび上記式（２）で表されるラインジェネレートレンズ特性ＬＧＬを、横軸に位置ｘをとり、縦軸に透過輝度をとった座標系にプロットして示すグラフである。なお、図１０では、ｘ＝０における輝度を１に規格化している。
上記式（２）および図１０に示すような輝度分布を実現するラインジェネレートレンズ４４２を用いることにより、最終的に、パターン画像における周辺減光を相殺または低減することができる。
図１１は、図９に示す透過輝度分布と、図１０に示す相殺輝度分布と、を合成してなる合成輝度の分布を表すグラフである。図１１では、ｘ＝０における輝度を１に規格化している。
図１１に示す合成輝度分布は、フラットな分布を示している。したがって、ラインジェネレートレンズ４４２を用いることにより、周辺減光の影響を相殺または低減させたパターン画像を取得することが可能になると認められる。
以上のように、本実施形態に係る三次元計測装置４は、レーザー光Ｌを用いて対象物Ｗの三次元計測を行う装置であって、レーザー光Ｌを出射するレーザー光源４２と、レーザー光Ｌを、延在方向の中央部Ｃの輝度よりも縁部Ｅの輝度が高いラインジェネレートレンズ特性ＬＧＬ（第１輝度分布）を有するライン状をなす光（ラインレーザー光）に拡幅して出射するラインジェネレートレンズ４４２と、揺動軸Ｊまわりに揺動し、ライン状をなす光を反射して、対象物Ｗを含む投影面Ｐにパターン光ＰＬを投影するミラー４５１と、パターン光ＰＬが投影された投影面Ｐを撮像してパターン画像を取得する撮像部４７と、パターン画像に基づいて対象物Ｗの三次元形状を求める計測部４９と、を有する。
このような三次元計測装置４によれば、撮像部４７で撮像されるパターン画像に含まれる周辺減光を、ラインジェネレートレンズ４４２によって生成される出射光のラインジェネレートレンズ特性ＬＧＬによって、相殺または低減させることができる。これにより、投影面Ｐの三次元形状を高い精度で計測することができる。しかも、本実施形態によれば、このような周辺減光の相殺または低減を、時間を要することなく高速で行うことができる。また、それを実現する三次元計測装置４の構成は、画像処理等を行う必要がないため、簡素であり、小型化を図ることが容易である。このため、三次元計測装置４により計測された対象物Ｗの三次元情報に基づいてロボット２の駆動を制御する際、その作業効率を高めることができる。
さらに、本実施形態では、１つのラインジェネレートレンズ４４２で、レーザー光Ｌの拡幅と、周辺減光の相殺または低減のための輝度差の形成と、を実現している。このため、拡幅されたレーザー光Ｌの幅が発散しすぎないという利点がある。つまり、補正レンズ等を挿入するための間隔を必要としないため、ラインジェネレートレンズ４４２とミラー４５１との距離を近づけることができ、レーザー光Ｌが発散しすぎる前に、ミラー４５１の反射面４５０に照射することができる。これにより、反射面４５０の大きさを小さくすることができる。反射面４５０が大きい場合、揺動に際して大きな空気抵抗を受けるため、揺動に大きなトルクが必要になったり、ミラー４５１が撓みやすくなったりする。これに対し、反射面４５０を小さくすることができれば、トルクを小さくすることができ、ミラー４５１も撓みにくくなる。
なお、ラインジェネレートレンズ４４２の形状は、前述した出射光のラインジェネレートレンズ特性ＬＧＬから、光線追跡法等のシミュレーションに基づいて求めることができる。つまり、例えば上記式（２）で表されるようなラインジェネレートレンズ特性ＬＧＬの分布が、上記式（１）で表される周辺減光を相殺または低減可能な分布であれば、ラインジェネレートレンズ４４２の形状は、図８に示す形状に限定されず、いかなる形状であってもよい。
また、ラインジェネレートレンズ特性ＬＧＬにおける中央部Ｃと縁部Ｅとの輝度差は、集光レンズ４７３の周辺減光の程度に応じて決めればよく、特に限定されないが、一例として、図１０に示すグラフにおいて、ｘ＝０におけるラインジェネレートレンズ特性ＬＧＬを１としたとき、ラインジェネレートレンズ特性ＬＧＬの最大値は１．０５以上２．００以下であるのが好ましく、１．１０以上１．８０以下であるのがより好ましい。このようなラインジェネレートレンズ特性ＬＧＬを有するラインジェネレートレンズ４４２を用いることにより、周辺減光による影響をより確実に相殺または低減させることができる。
なお、周辺減光による輝度分布は、上記式（１）および図９に示す分布に限定されない。また、中央部Ｃの輝度および縁部Ｅの輝度とは、それぞれの範囲における輝度の最大値のことをいう。
（変形例）
ここで、第１実施形態の変形例について説明する。この変形例は、以下の相違点以外、第１実施形態と同様である。
図１２は、第１実施形態の変形例に係るラインジェネレートレンズ４４２を示す図である。
以下、変形例について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図１２に示すラインジェネレートレンズ４４２は、その形状自体は、例えば均一な輝度分布を形成するように設計されている。すなわち、前述した第１実施形態に係るラインジェネレートレンズ４４２は、その形状の設計により、内部で光が屈折し、幅の中央部Ｃの輝度よりも縁部Ｅの輝度が高くなるようなラインジェネレートレンズ特性ＬＧＬが得られるが、本変形例では、形状自体の設計は、例えば均一な輝度分布の出射光が得られるようになっている。
一方、図１２に示すラインジェネレートレンズ４４２は、出射面４４２２のＹ軸方向における中央部に設けられ、光を減光する減光膜４４２４を有している。これにより、ラインジェネレートレンズ４４２は、ラインジェネレートレンズ特性ＬＧＬ（第１輝度分布）の中央部Ｃに対応する部分（ラインレーザー光中央部が透過する部分）、すなわち減光膜４４２４の部分の透過率が、ラインジェネレートレンズ特性ＬＧＬの縁部Ｅに対応する部分（ラインレーザー光縁部が透過する部分）、すなわち減光膜４４２４が設けられていない出射面４４２２の部分の透過率よりも低くなるように設定されている。
これにより、ラインジェネレートレンズ特性ＬＧＬが均一になるように光学設計された、一般的なラインジェネレートレンズを、本実施形態に係るラインジェネレートレンズ４４２として用いることができる。その結果、ラインジェネレートレンズ４４２の設計が容易になるとともに、三次元計測装置４の低コスト化を図ることができる。
なお、減光膜４４２４は、光を吸収、散乱等によって減衰させ得る膜であれば、いかなる膜であってもよい。また、減光率は、減光膜４４２４の全体で一定であっても、部分的に異なっていてもよいが、好ましくは、徐々に減光率が変化するように設定されている。これにより、図１０に示すような相殺輝度分布を実現することができる。
また、減光膜４４２４以外の方法で減光するようにしてもよい。例えば、ラインジェネレートレンズ４４２の構成材料が部分的に異なっており、それに伴って中央部Ｃに対応する部分の透過率が低くなっていてもよい。
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。
図１３は、第２実施形態に係る三次元計測装置の全体構成を示す図である。図１４は、第２実施形態に係る三次元計測装置の作用を説明するため、図１３を簡略化した図である。
以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１３および図１４において、第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
第２実施形態に係る三次元計測装置４は、第１実施形態と同様、レーザー光Ｌの走査方向Ｓと交差する方向において、パターン画像の周辺減光を相殺または低減させるだけでなく、走査方向Ｓにおいても、周辺減光を相殺または低減させるように構成されている以外、第１実施形態に係る三次元計測装置４と同様である。
具体的には、図１３に示す三次元計測装置４は、さらに、制御部４８に接続された受付部４６２と、受付部４６２に接続された入力部４６４と、を備えている。また、制御部４８は、光走査部４５におけるミラー４５１の最大振幅を変更可能に設定されている。
図１４では、パターン光ＰＬが平面状の投影面Ｐに投影されるものとする。また、説明の便宜のため、レーザー光Ｌは、ミラー４５１の揺動軸Ｊから投影面Ｐに下した垂線Ｎを中心に、前述した走査角αｍａｘの範囲内に走査されるものとする。なお、投影面Ｐ上における位置をｘで表し、垂線Ｎと投影面Ｐとの交点をｘ＝０とする。また、光走査部４５のミラー４５１の揺動軸Ｊと投影面Ｐとの距離をｈとする。
本実施形態に係る受付部４６２は、この距離ｈの距離情報を受け付ける。受付部４６２で受け付けた距離ｈの距離情報は、制御部４８に入力される。距離ｈは、各種距離センサーや撮像部４７で撮像された撮像画像に基づいて計測することもできるが、本実施形態は、距離ｈを入力する入力部４６４をさらに備えている。三次元計測装置４のユーザーは、入力部４６４に距離ｈの距離情報を入力すると、距離ｈの距離情報が、入力部４６４から受付部４６２を経て、制御部４８に入力される。
制御部４８では、このようにして入力された距離ｈに基づき、ミラー４５１の揺動を制御する。なお、制御方法については、後に詳述する。
（三次元計測方法）
次に、第２実施形態に係る三次元計測装置４を用いた三次元計測方法について説明する。
図１５は、第２実施形態に係る三次元計測装置４を用いた三次元計測方法を説明するためのフローチャートである。
図１５に示す三次元計測方法は、レーザー光Ｌを出射するステップＳ１と、ミラー４５１の揺動軸Ｊと、ミラー４５１により対象物Ｗに向けてレーザー光Ｌを反射して投影する投影面Ｐとの距離ｈを受け付けるステップＳ２と、距離ｈに基づいて、ミラー４５１の揺動の最大振幅θｍａｘを決定するステップＳ３と、最大振幅θｍａｘの範囲内でミラー４５１を揺動させ、ミラー４５１によりレーザー光Ｌを投影面Ｐに向けて反射し、パターン光ＰＬを投影するステップＳ４と、パターン光ＰＬが投影された投影面Ｐを撮像したパターン画像を取得するステップＳ５と、パターン画像に基づいて対象物Ｗの三次元形状を求めるステップＳ６と、を有する。
このような三次元計測方法によれば、後に詳述するが、レーザー光Ｌの走査方向においても、撮像部４７で撮像されるパターン画像に含まれる周辺減光、つまり、パターン画像の縁部に近づくにつれて輝度が低下するという問題を、投影されるレーザー光Ｌが持つ走査速度分布に基づく輝度分布によって、相殺または低減させることができる。これにより、対象物Ｗの三次元形状を高い精度で計測することができる。
以下、各ステップについて説明する。
［１］対象物Ｗの三次元形状を計測する際には、まず、レーザー光源４２からレーザー光Ｌを出射するステップＳ１を行う。レーザー光Ｌは、ラインジェネレートレンズ４４２によってライン状に成形され、ミラー４５１の反射面４５０に照射される。
［２］一方、受付部４６２において、ミラー４５１の揺動軸Ｊと、対象物Ｗを含む投影面Ｐと、の距離ｈに関する距離情報を受け付けるステップＳ２を行う。
図１３に示す三次元計測装置４は、装置構成の一例として、距離ｈを入力する入力部４６４を有している。三次元計測装置４のユーザーが入力部４６４から距離ｈを入力すると、その情報が受付部４６２に出力される。そして、受付部４６２は、入力部４６４に入力された距離ｈを受け付け、制御部４８に入力する。このようにすれば、ユーザーが実測した、より正確な距離ｈを用いて、より最適な最大振幅θｍａｘを求めることができるので、より精度の高い三次元計測が可能になる。なお、距離ｈが所定の範囲内にあるとき、その所定の範囲を代表する値を距離ｈに関する距離情報としてもよい。
［３］次に、ミラー制御部４８１により、距離ｈに基づいて、ミラー４５１の揺動の最大振幅θｍａｘを決定するステップＳ３を行う。最大振幅θｍａｘは、ミラー４５１の揺動軸Ｊまわりの揺動において、図８に示すように、揺動の中心面Ｍからの最大離角である。
ミラー４５１は、ミラー４５１に装着されている永久磁石４５５と電磁コイル４５６との間に働くローレンツ力に基づいて揺動する。電磁コイル４５６には、いわゆる正弦波の波形を持つ交番電圧が印加される。つまり、ミラー４５１は、正弦波の波形を持つ駆動信号により揺動する非共振駆動可能なミラーであるのが好ましい。このようなミラー４５１であれば、最大振幅θｍａｘを比較的自由に変更することができる。このとき、ミラー４５１の振れ角θは、最大振幅θｍａｘの範囲内で交番電圧に従って時間とともに変化する。具体的には、交番電圧の周波数、すなわちミラー４５１の駆動周波数をｆ、時間をｔとすると、ミラー４５１の振れ角θの時間変化は、下記式（３）で表される。
Figure 0007279469000003
本実施形態に係る三次元計測装置４では、上記式（３）に含まれる最大振幅θｍａｘを適宜変更できるようになっている。このような最大振幅θｍａｘは、距離ｈとともに、撮像部４７で撮像されるパターン画像の輝度分布に対して後述するような相関関係を有している。したがって、この相関関係に照らし、距離ｈに基づいて最適な最大振幅θｍａｘを選定することにより、後述する原理に基づいて、最終的には周辺減光が抑制されたパターン画像を取得することができる。なお、電磁コイル４５６に印加される交番電圧は、正弦波の波形を持つものに限定されず、疑似的に正弦波に近づけた波形を持つものであってもよい。
より具体的に説明すると、ステップＳ３は、ミラー４５１の揺動に伴うレーザー光Ｌの走査方向Ｓにおける、投影面Ｐ上の長さＸｍａｘ（投影面長さ）を受け付けるステップＳ３１と、投影面Ｐの長さＸｍａｘの範囲内にある前記走査方向Ｓの位置ｘと、距離ｈと、求めようとする最大振幅θｍａｘと、撮像部４７で撮像されるパターン画像において推定される前記位置ｘにおける推定輝度と、の間に成り立つ関係式に基づき、最大振幅θｍａｘを求めるステップＳ３２と、を含んでいる。このようなステップＳ３１、Ｓ３２によれば、周辺減光を抑制可能な最大振幅θｍａｘを容易に算出することができる。
ステップＳ３１で受け付ける投影面Ｐの長さＸｍａｘは、距離ｈと撮像部４７の画角βとで決まる長さである。この画角βは、撮像部４７の設計、特に集光レンズ４７３の倍率や撮像素子４７２と集光レンズ４７３との距離等に応じて決まるため、既知である。前述したように、投影面Ｐにおいて画角βの範囲は、レーザー光Ｌの走査範囲に包含されるように設定されている。したがって、長さＸｍａｘは、少なくとも、撮像部４７による撮像範囲の長さよりも長くなるように設定される。
一方、距離ｈは、前述した受付部４６２で受け付けられる情報である。よって、ステップＳ３１では、投影面Ｐの長さＸｍａｘについても、入力部４６４を介して受付部４６２に入力するようにしてもよいし、受付部４６２で受け付けた距離ｈとあらかじめ入力しておいた画角βとに基づいて受付部４６２において算出するようにしてもよい。
ステップＳ３２では、投影面Ｐの長さＸｍａｘの範囲内における位置ｘと、距離ｈと、求めようとする最大振幅θｍａｘと、最終的に撮像部４７で撮像されるパターン画像において推定される推定輝度ＥＬと、の間に成り立つ関係式を用いて、最大振幅θｍａｘを求める。この関係式には、一例として、下記式（４）が挙げられる。
Figure 0007279469000004
 ［ただし、上記式（４）において、
Figure 0007279469000005
 である。］
また、推定輝度ＥＬとは、投影面Ｐの長さの中心におけるパターン画像の推定輝度を１に規格化したとき、投影面Ｐの長さＸｍａｘの範囲内における推定輝度の相対値のことである。さらに、投影面Ｐにおける位置ｘとは、図１４に示すように、揺動軸Ｊから投影面Ｐに垂線Ｎを下したとき、その垂線Ｎと投影面Ｐとの交点をｘ＝０とした場合の位置である。また、係数ａは、後述するが、レンズごとの固有値であり、既知である。なお、上記式（４）における距離ｈは、ミラー４５１の揺動軸Ｊと対象物Ｗを含む投影面Ｐとの距離の実測値であってもよいが、その実測値に基づいて算出された換算値、つまり「距離情報」であってもよい。例えば、実測した距離が３００～４００ｍｍという範囲内にある場合、上記式（４）における距離ｈを、３００ｍｍという代表値に固定するようにしてもよい。なお、これは、後述する各式においても同様である。
そして、上記式（４）で表される関係式には、撮像部４７に含まれる光学系において発生する周辺減光による輝度の低下の推定値が加味されている。このため、本ステップＳ３において最大振幅θｍａｘを適宜選定することにより、後述する原理によって、投影面Ｐ上の位置ｘによらず、推定輝度ＥＬを一定値にすることが可能である。その結果、最終的に、周辺減光が相殺または低減されたパターン画像を取得することが可能になる。
以上をまとめると、最大振幅θｍａｘを求めるステップＳ３は、投影面Ｐの長さＸｍａｘの中心、すなわちｘ＝０における推定輝度を１に規格化したとき、レーザー光Ｌが投影された投影面Ｐ上の領域の走査方向Ｓの中心を中心位置とし、その中心位置の推定輝度である推定中心輝度を１とする規格化を行ったとき、この領域における走査方向Ｓの位置ｘの推定輝度に対して前記規格化を行った値が一定値になるように（長さＸｍａｘの範囲内における、規格化された推定輝度に対する相対値である推定輝度ＥＬが一定値になるように）、最大振幅θｍａｘを求めるステップである。
なお、この推定輝度ＥＬは、具体的には、０．８０以上１．２０以下であるのが好ましく、０．９０以上１．１０以下であるのがより好ましく、０．９５以上１．０５以下であるのがさらに好ましい。このような推定輝度ＥＬは、規格化された推定輝度に十分に近いため、一定値とみなすことができる。したがって、最終的に、周辺減光が十分に抑制され、輝度分布がフラットなパターン画像を取得することが可能になる。したがって、ステップＳ３２では、推定輝度ＥＬがこのような一定値になるように、最大振幅θｍａｘを選定すればよい。なお、ステップＳ２からステップＳ３は、距離ｈに関する距離情報に変化がない、または変化が少ない場合は一度だけ実行すればよく、次回以降の計測においてステップＳ２からステップＳ３までのステップを省略して実行してもよい。
［４］次に、求めた最大振幅θｍａｘの範囲内で、ミラー制御部４８１において駆動信号を生成し、ミラー４５１を揺動させる。これにより、ミラー４５１でレーザー光Ｌを投影面Ｐに向けて反射する。このようにして、パターン光ＰＬを投影するステップＳ４を行う。
パターン光ＰＬは、前述したように、最大振幅θｍａｘが最適化されたミラー４５１の揺動によってレーザー光Ｌが走査されて形成されているので、周辺減光を相殺または低減させるような走査速度分布を有している。
以下、このような効果が得られる原理について説明する。
まず、走査されるレーザー光Ｌの走査速度は、投影面Ｐ上の位置において異なり、分布を持つことになる。したがって、走査速度分布は、投影面Ｐにおける位置ｘとレーザー光Ｌの走査速度ｖｘとの関係である。
具体的には、揺動軸Ｊと投影面Ｐとの距離をｈとし、投影面Ｐにおける位置をｘとし、投影面Ｐにおけるレーザー光Ｌの走査速度をｖｘとし、ミラー４５１の最大振幅をθｍａｘとし、ミラー４５１の揺動の周波数をｆとしたとき、走査速度分布は、下記式（６）で表される。
Figure 0007279469000006
このような走査速度分布では、レーザー光Ｌが搭載される位置ｘが、投影面Ｐの長さＸｍａｘの中心から離れるにつれて、走査速度ｖｘが小さくなる。
ここで、上記式（６）において、ｘ＝０のときの走査速度ｖｘを１に規格化した場合、走査速度ｖｘは、下記式（７）のようになる。
Figure 0007279469000007
そして、位置ｘおよび上記式（７）で表される走査速度ｖｘを、横軸に位置ｘをとり、縦軸に走査速度ｖｘをとった座標系にプロットすると、図１６に示すグラフが得られる。すなわち、図１６は、レーザー光Ｌの走査速度分布の一例を示すグラフである。
図１６に示すように、上記式（７）で表される走査速度分布では、投影面Ｐの長さＸｍａｘの中心、すなわちｘ＝０における走査速度ｖｘが最大値となり、そこから位置ｘが離れるにつれて、走査速度ｖｘが徐々に小さくなっている。
ここで、レーザー光Ｌの走査速度ｖｘは、例えば輝度と反比例する。したがって、走査速度ｖｘの逆数を取ることにより、上記式（７）から投影面Ｐの換算輝度ＣＬを算出することができる。その換算輝度ＣＬは、下記式（８）のようになる。
Figure 0007279469000008
そして、位置ｘおよび上記式（８）で表される換算輝度ＣＬを、横軸に位置ｘをとり、縦軸に換算輝度ＣＬをとった座標系にプロットすると、図１７に示すグラフが得られる。すなわち、図１７は、図１６に示す走査速度分布でレーザー光Ｌを走査した際に、投影面Ｐ上で観測される換算輝度ＣＬの分布の一例を示すグラフである。
図１７に示すように、上記式（８）で表される換算輝度分布では、投影面Ｐの長さＸｍａｘの中心、すなわちｘ＝０における換算輝度ＣＬが最小値となり、そこから位置ｘが離れるにつれて、換算輝度ＣＬが徐々に大きくなっている。
一方、撮像部４７は、集光レンズ４７３を含んでいるが、このような集光レンズ４７３には、前述したように、レンズ特有の周辺減光が存在する。一般的なレンズの透過輝度ＴＬの分布は、前述した式（１）で表されることが知られている。
ここで、上記式（８）で表される換算輝度分布と、上記式（１）で表される透過輝度分布と、を合成すると、撮像部４７で撮像されるパターン画像における輝度分布が得られる。
この輝度分布は、周辺減光の影響が抑えられた、フラットな分布になる。具体的には、上記式（８）で表される換算輝度分布と、上記式（１）で表される透過輝度分布と、を合成すると、合成輝度ＳＬは、下記式（９）のようになる。
Figure 0007279469000009
そして、位置ｘおよび上記式（９）で表される合成輝度ＳＬを、横軸に位置ｘをとり、縦軸に合成輝度ＳＬをとった座標系にプロットすると、図１８に示すグラフが得られる。すなわち、図１８は、図１６に示す走査速度分布でレーザー光Ｌを走査した際に、撮像部４７で撮像されるパターン画像における輝度、つまり上記の合成輝度ＳＬの分布の一例を示すグラフである。
図１８に示すように、上記式（９）で表される合成輝度分布では、ほぼフラットな分布が得られる。したがって、前記ステップＳ３において最大振幅θｍａｘを求め、本ステップＳ４において、その最大振幅θｍａｘの範囲内でミラー４５１を揺動させつつ、レーザー光Ｌを走査することにより、後述するステップＳ５において、周辺減光の影響を相殺または低減させたパターン画像を取得することが可能になる。換言すれば、ミラー４５１の揺動の最大振幅θｍａｘを、距離ｈに応じて最適化することにより、パターン光ＰＬにおける輝度分布の形状を変えることができるので、周辺減光を低減可能な値を選定することが可能になる。また、最大振幅θｍａｘは、駆動周波数ｆや距離ｈに比べて、ユーザーが任意に選択可能であるという点で、比較的変化させやすいパラメーターでもあることから、制御因子として有用であるという利点もある。
［５］次に、パターン光ＰＬが投影された投影面Ｐを撮像したパターン画像を取得するステップＳ５を行う。このパターン画像では、前述したように、集光レンズ４７３の周辺減光の影響が抑えられている。このため、パターン画像のＳ／Ｎ比の低下が抑えられる。
［６］次に、パターン画像に基づいて投影面Ｐの三次元形状を求めるステップＳ６を行う。このパターン画像では、周辺減光に伴うＳ／Ｎ比の低下が抑えられているため、投影面Ｐの三次元形状をより高い精度で計測することができる。また、本実施形態では、このような周辺減光の相殺または低減を、画像処理等の複雑な演算を要することなく、高速で行うことができる。したがって、対象物Ｗの三次元形状を迅速に計測することができる。
以上のように、本実施形態に係る三次元計測装置４は、ミラー４５１の揺動を制御するミラー制御部４８１を有し、ミラー制御部４８１は、揺動軸Ｊと投影面Ｐとの距離ｈに関する距離情報に基づき、ミラー４５１の揺動の最大振幅θｍａｘを変更することにより、揺動に伴ってライン状をなすレーザー光Ｌ（ラインレーザー光）が走査される走査方向Ｓにおける、パターン光ＰＬの換算輝度分布（第２輝度分布）を制御する。
これにより、撮像部４７で撮像されるパターン画像に含まれる周辺減光を、投影されるレーザー光Ｌが持つ走査速度分布に基づく換算輝度分布によって、相殺または低減させることができる。その結果、ラインジェネレートレンズ４４２によって、走査方向Ｓと交差する方向における周辺減光の相殺または低減を実現するだけでなく、ミラー４５１の揺動によって、走査方向Ｓにおける周辺減光の相殺または低減も実現することができる。その結果、対象物Ｗの三次元形状を高い精度で計測することができる。しかも、本実施形態によれば、このような周辺減光の相殺または低減を、時間を要することなく高速で行うことができる。また、それを実現する三次元計測装置４の構成は、画像処理等を行う必要がないため、簡素であり、小型化を図ることが容易である。このため、三次元計測装置４により計測された対象物Ｗの三次元情報に基づいてロボット２の駆動を制御する際、その作業効率を高めることができる。
また、上記のような三次元計測装置４は、ロボットシステム１に設けられる。ロボットシステム１では、三次元計測装置４が計測した対象物Ｗの三次元形状に基づき、ロボット２に作業を行わせることができる。これにより、より正確な作業を効率よく行うことができる。
すなわち、本実施形態に係るロボットシステム１は、ロボットアーム２２を備えるロボット２と、ロボットアーム２２に設置され、レーザー光Ｌを用いて対象物Ｗの三次元計測を行う三次元計測装置４と、三次元計測装置４の計測結果に基づいてロボット２の駆動を制御するロボット制御装置５と、を備えるロボットシステムである。そして、三次元計測装置４は、レーザー光Ｌを出射するレーザー光源４２と、レーザー光Ｌを、延在方向の中央部Ｃの輝度よりも縁部Ｅの輝度が高いラインジェネレートレンズ特性ＬＧＬ（第１輝度分布）を有するライン状をなす光（ラインレーザー光）に拡幅して出射するラインジェネレートレンズ４４２と、揺動軸Ｊまわりに揺動し、ライン状をなす光（ラインレーザー光）を反射して、対象物Ｗを含む投影面Ｐにパターン光ＰＬを投影するミラー４５１と、パターン光ＰＬが投影された投影面Ｐを撮像してパターン画像を取得する撮像部４７と、パターン画像に基づいて対象物Ｗの三次元形状を求める計測部４９と、を有する。
このようなロボットシステム１によれば、簡素な構成で小型化が図られているにもかかわらず、三次元形状の計測精度が高い三次元計測装置４を備えていることから、小型化が可能で、設計自由度が高く、作業効率も高いロボットシステム１が得られる。
＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態について説明する。
図１９は、第３実施形態に係る三次元計測装置の全体構成を示す図である。
以下、第３実施形態について説明するが、以下の説明では、第２実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１９において、第２実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
第３実施形態に係る三次元計測装置４は、レーザー光源４２の出力を制御することにより、周辺減光を相殺または低減させるように構成されている以外、第２実施形態に係る三次元計測装置４と同様である。
すなわち、本実施形態に係る三次元計測装置４は、レーザー光源４２の出力を制御する光源制御部４８２を有し、光源制御部４８２は、ミラー４５１の揺動に同期して、レーザー光Ｌの出力を変更することにより、揺動に伴ってライン状をなす光（ラインレーザー光）が走査される走査方向Ｓにおいて、パターン光ＰＬの換算輝度分布（第２輝度分布）を制御する。
これにより、撮像部４７で撮像されるパターン画像に含まれる周辺減光を、投影されるレーザー光Ｌの出力変化に基づく換算輝度分布によって、相殺または相殺または低減させることができる。その結果、ラインジェネレートレンズ４４２によって、走査方向Ｓと交差する方向における周辺減光の相殺または低減を実現するだけでなく、ミラー４５１の揺動によって、走査方向Ｓにおける周辺減光の相殺または低減も実現することができる。
なお、光源制御部４８２は、ミラー４５１の揺動に同期して、図１７に示すような輝度分布が実現されるように、レーザー光源４２の出力を適宜変更する。これにより、第２実施形態と同様の効果が得られる。さらに、光源制御部４８２は、ミラー制御部４８１が、揺動軸Ｊと投影面Ｐとの距離ｈに基づき、ミラー４５１の揺動の最大振幅θｍａｘを変更することに連動させてレーザー光Ｌの出力を変更することにより、揺動に伴ってレーザー光Ｌが走査される走査方向Ｓにおける、パターン光ＰＬの換算輝度分布（第２輝度分布）を制御してもよい。これにより、レーザー光源４２の出力の変動幅を低く抑えつつ、走査方向Ｓにおける周辺減光の相殺または低減も実現することができる。
＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態について説明する。
図２０は、第４実施形態に係る三次元計測装置の全体構成を示す図である。
以下、第４実施形態について説明するが、以下の説明では、第２実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。
第４実施形態に係る三次元計測装置４は、入力部４６４に代えて、距離検出部４６６を備えている以外、第２実施形態に係る三次元計測装置４と同様である。
具体的には、図２０に示す三次元計測装置４は、揺動軸Ｊと投影面Ｐとの距離ｈを検出する距離検出部４６６を有している。そして、前述した受付部４６２は、距離検出部４６６により検出された距離ｈを受け付け、制御部４８に入力する。このようにすれば、ユーザーが入力することなく、三次元計測装置４が距離ｈを取得することができる。このため、より簡単に高精度な三次元計測を行うことができる。
距離検出部４６６は、揺動軸Ｊと投影面Ｐとの距離ｈを検出可能なセンサー等であれば、特に限定されないが、例えば、レーザー式距離センサー、赤外線式距離センサー、超音波式距離センサー等が挙げられる。
（変形例）
ここで、第４実施形態の変形例について説明する。この変形例は、以下の相違点以外、第４実施形態と同様である。
図２１は、第４実施形態の変形例に係る三次元計測装置の全体構成を示す図である。
本変形例では、図２１に示すように、計測部４９と受付部４６２とが接続されている。そして、計測部４９は、撮像部４７による撮像画像に基づいて距離ｈを算出する。具体的には、撮像部４７が取得した撮像画像は、計測部４９に入力される。そして、計測部４９において、撮像画像に基づき、対象物Ｗを含む投影面Ｐの三次元計測を行う。これにより、投影面Ｐまでの距離を求めることができるため、あらかじめ記憶させておいた設計データに基づき、揺動軸Ｊと投影面Ｐまでの距離ｈを算出することができる。このようにして算出した距離ｈを受付部４６２に出力する。
このような構成によれば、ユーザーが入力したり、距離検出部４６６を設けたりすることなく、三次元計測装置４が距離ｈを取得することができる。
図２２は、第４実施形態の別の変形例に係るロボットシステムの全体構成を示す図である。
本変形例では、図２２に示すように、距離検出部４６６が省略され、代わりに、受付部４６２とロボット制御装置５とが接続されている。そして、ロボット制御装置５は、ロボット２の位置情報に基づいて、ミラー４５１の揺動軸Ｊと投影面Ｐとの距離ｈを求め、三次元計測装置４に入力する。ロボット２の位置情報とは、例えば、ロボットアーム２２に設けられている第１駆動装置２５１から第６駆動装置２５６までの各エンコーダーから得られる情報である。各エンコーダーは、モーターの回転量の情報等を取得するので、これらの情報に基づけば、ロボット制御装置５において、ロボットアーム２２の空間における位置の情報を算出することができる。そして、このような位置情報に基づくことで、ロボットアーム２２に装着されている三次元計測装置４のミラー４５１の揺動軸Ｊと投影面Ｐとの距離ｈを、ロボット制御装置５において算出することが可能である。
このような構成によれば、ユーザーが入力したり、距離検出部４６６を設けたりすることなく、三次元計測装置４が距離ｈを取得することができる。
以上のような第４実施形態およびその変形例においても、第２実施形態と同様の効果が得られる。
以上、本発明の三次元計測装置およびロボットシステムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。さらに、本発明の三次元計測装置を用いた三次元計測方法では、前記各ステップが順次行われてもよく、一部のステップが同時に行われてもよい。
１…ロボットシステム、２…ロボット、４…三次元計測装置、５…ロボット制御装置、６…ホストコンピューター、２１…ベース、２２…ロボットアーム、２４…エンドエフェクター、４０…筐体、４１…投影部、４２…レーザー光源、４４…光学系、４５…光走査部、４７…撮像部、４８…制御部、４９…計測部、２２１…第１アーム、２２２…第２アーム、２２３…第３アーム、２２４…第４アーム、２２５…第５アーム、２２６…第６アーム、２５１…第１駆動装置、２５２…第２駆動装置、２５３…第３駆動装置、２５４…第４駆動装置、２５５…第５駆動装置、２５６…第６駆動装置、４０１…底面、４０２…頂面、４０３…前面、４０３ａ…窓部、４０４…背面、４０５…側面、４０６…側面、４４１…集光レンズ、４４２…ラインジェネレートレンズ、４５０…反射面、４５１…ミラー、４５２…支持部、４５３…軸部、４５５…永久磁石、４５６…電磁コイル、４６２…受付部、４６４…入力部、４６６…距離検出部、４７１…カメラ、４７２…撮像素子、４７３…集光レンズ、４８１…ミラー制御部、４８２…光源制御部、４８３…撮像制御部、４４２１…入射面、４４２１ａ…第１面、４４２１ｂ…第２面、４４２２…出射面、４４２３…稜線、４４２４…減光膜、Ｃ…中央部、Ｅ…縁部、Ｊ…揺動軸、Ｌ…レーザー光、ＬＧＬ…ラインジェネレートレンズ特性、Ｍ…中心面、Ｎ…垂線、Ｏ１…第１軸、Ｏ２…第２軸、Ｏ３…第３軸、Ｏ４…第４軸、Ｏ５…第５軸、Ｏ６…第６軸、Ｐ…投影面、ＰＬ…パターン光、Ｓ…走査方向、Ｓ１…ステップ、Ｓ２…ステップ、Ｓ３…ステップ、Ｓ３１…ステップ、Ｓ３２…ステップ、Ｓ４…ステップ、Ｓ５…ステップ、Ｓ６…ステップ、Ｗ…対象物、Ｗ０…全幅、ｈ…距離、ｖｘ…走査速度、Ｘｍａｘ…長さ、αｄｉｓｐ…描画角、αｍａｘ…走査角、β…画角、θｍａｘ…最大振幅

Claims (8)

  1. レーザー光を用いて対象物の三次元計測を行う三次元計測装置であって、
    前記レーザー光を出射するレーザー光源と、
    前記レーザー光を、延在方向の中央部の輝度よりも縁部の輝度が高い第１輝度分布を有するラインレーザー光に拡幅して出射するラインジェネレートレンズと、
    揺動軸まわりに揺動し、前記ラインレーザー光を反射して、前記対象物を含む投影面にパターン光を投影するミラーと、
    前記パターン光が投影された前記投影面を撮像してパターン画像を取得する撮像部と、
    前記パターン画像に基づいて前記対象物の三次元形状を求める計測部と、
    を有し、
    前記ラインジェネレートレンズは、
    稜線、ならびに、前記稜線を介して互いに交わる第１面および第２面、を有する入射面と、
    前記入射面の反対側に設けられている出射面と、
    を有し、
    前記レーザー光が前記入射面に入射され、前記ラインレーザー光が前記出射面から出射するように構成されていることを特徴とする三次元計測装置。
  2. 前記第１輝度分布の前記中央部における輝度を１としたとき、前記第１輝度分布の前記縁部における輝度の最大値は、１．０５以上２．００以下である請求項１に記載の三次元計測装置。
  3. 前記ラインジェネレートレンズの、前記ラインレーザー光の前記第１輝度分布の前記中央部に対応するラインレーザー光中央部が透過する部分の透過率は、前記ラインレーザー光の前記第１輝度分布の前記縁部に対応するラインレーザー光縁部が透過する部分の透過率よりも低い請求項１に記載の三次元計測装置。
  4. 前記ラインジェネレートレンズは、
    出射光の輝度分布が均一になるように形状が設計されているレンズ本体と、
    前記第１輝度分布の前記中央部に対応して、前記レンズ本体に設けられている減光膜と、
    を有する請求項３に記載の三次元計測装置。
  5. 前記ミラーの揺動を制御するミラー制御部と、
    前記揺動軸と前記投影面との距離に関する距離情報を受け付ける受付部と、
    を有し、
    前記ミラー制御部は、前記受付部が受け付けた前記距離情報に基づき、前記ミラーの前記揺動の最大振幅を変更することにより、前記揺動に伴って前記ラインレーザー光が走査される方向における、前記パターン光の第２輝度分布を制御する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の三次元計測装置。
  6. 前記揺動軸と前記投影面との距離を検出する距離検出部をさらに有する請求項５に記載の三次元計測装置。
  7. 前記レーザー光源の出力を制御する光源制御部を有し、
    前記光源制御部は、前記ミラーの前記揺動に同期して、前記レーザー光の出力を変更することにより、前記揺動に伴って前記ラインレーザー光が走査される方向における、前記パターン光の第２輝度分布を制御する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の三次元計測装置。
  8. ロボットアームを備えるロボットと、前記ロボットアームに設置され、レーザー光を用いて対象物の三次元計測を行う請求項１ないし７のいずれか１項に記載の三次元計測装置と、前記三次元計測装置の計測結果に基づいて前記ロボットの駆動を制御するロボット制御装置と、を備えることを特徴とするロボットシステム。
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